![](/user_photo/2706_HbeT2.jpg)
- •Тема 1.1 Теплопровідність ................................................................................................. 6
- •Тема 2.1 Термодинаміка та її метод. Основні параметри стану робочого тіла ........ 15
- •Тема 2.5 Термодинамічні процеси …………………………………………….……….. 23
- •1 Загальна частина
- •1.1 Мета і задачі дисципліни. Структурні модулі
- •1.2 Перелік рекомендованої літератури
- •2 Викладення теоретичного матеріалу
- •Розділ 1 основи теорії теплопередачі
- •Тема 1.1 Теплопровідність
- •Тема 1.2 Конвекційний теплообмін
- •Тема 1.3 Теплообмін випромінюванням
- •Тема 1.4 Теплопередача
- •Розділ 2 технічна термодинаміка
- •Тема 2.1 Термодинаміка та її метод. Основні параметри стану робочого тіла
- •Тема 2.2 Поняття про термодинамічні процеси. Закони ідеального газу.
- •Тема 2.3 Теплоємність. Визначення кількості теплоти
- •Тема 2.4 Перший закон термодинаміки. Ентальпія.
- •Тема 2.5 Термодинамічні процеси
- •Тема 2.7 Реальні гази. Водяна пара
- •Тема 2.8 Вологе повітря
Розділ 1 основи теорії теплопередачі
Тема 1.1 Теплопровідність
План
Предмет і задачі теорії теплообміну. Види переносу теплоти.
Основні положення теорії теплообміну.
Стислі відомості про механізм процесу теплопровідності. Закон Фур’є.
1 Теплообмін – це наука про самочинні незворотні процеси перенесення теплоти в просторі, тобто про обмін внутрішньою енергією між окремими елементами і ділянка-ми розгляданого середовища.
Самочинний процес перенесення теплоти в просторі виникає під дією різниці температур і скерований в напрямку її зменшення. Закономірності перенесення тепло-ти і кількісні характеристики цього процесу є предметом дослідження теорії тепло-обміну (теплоперенесення). Теплота може поширюватись у будь–яких речовинах і навіть через вакуум. Перенесення теплоти здійснюється 3 основними способами:
1) теплопровідністю; 2) конвекцією; 3) тепловим випромінюванням (або радіацією).
Теплопровідність – це процес перенесення теплоти (енергії) мікрочастками в ті-лах (або між ними), зумовлений змінністю температури в розгляданому просторі. У всіх речовинах теплота поширюється теплопровідністю. Молекули, атоми, електрони та інші мікрочастки, які містяться в речовині, рухаються зі швидкостями, пропорцій-ними їх температурі, і переносять енергію з зони з вищою температурою в зону з ниж-чою. Теплопровідність в чистому вигляді частіше зустрічається в твердих тілах.
Конвекція теплоти – це процес перенесення теплоти під час переміщення мак-роскопічних об’ємів рідини або газу (текучого середовища) в просторі з зони з однією температурою в зону з іншою. При цьому перенесення теплоти конвекцією нерозрив-но пов’язано з перенесенням самого середовища (рідини або газу). Конвекція можли-ва лише в текучому середовищі. Завжди супроводжується теплопровідністю. Спіль-ний процес перенесення теплоти конвекцією і теплопровідністю називається конвек-ційним теплообміном. Конвекцією можна переносити теплоту на великі відстані. Наприклад, від ТЕЦ (теплоелектроцентралі) теплота переноситься завдяки трубам ру-хомою гарячою водою на десятки кілометрів для опалення житлових будинків і про-мислових споруд. Рухоме середовище (в даному випадку – гаряча вода), яке викорис-товується для перенесення теплоти на відстань, називається теплоносієм. На практиці часто зустрічається конвекційний теплообмін між потоками рідини або газу і поверх-нею твердого тіла. Цей процес отримав назву конвекційна тепловіддача, або просто тепловіддача (теплота віддається рідиною або газом поверхні або навпаки).
Теплове випромінювання – це процес перенесення теплоти електромагнітними хвилями, зумовлений тільки температурою і оптичними властивостями випроміню-вального тіла. При цьому внутрішня енергія тіла (середовища) перетворюється в енер-гію випромінювання. Процес перетворення внутрішньої енергії речовини в енергію випромінювання, перенесення випромінювання і його поглинання речовиною назива-ється теплообмін випромінюванням. Завдяки випромінюванню теплота переноситься у всіх промене-прозорих середовищах, зокрема у вакуумі, наприклад, в космосі, де це єдино можливий спосіб перенесення теплоти між тілами.
В природі і техніці елементарні процеси перенесення теплоти – теплопровід-ність, конвекція і випромінювання – часто відбуваються разом. Процеси теплопровід-ності і конвекційного теплообміну може супроводжувати теплообмін випромінюван-ням. Теплообмін, зумовлений спільним перенесенням теплоти випромінюванням і теп-лопровідністю, називають радіаційно – кондуктивним. Якщо перенесення теплоти здійснюється додатково і конвекцією, такий процес називають радіаційно – конвек-ційним теплообміном. Іноді радіаційно – кондуктивне і радіаційне – конвекційне перенесення теплоти називають складним теплообміном.
В довкіллі відбуваються процеси теплообміну між різними рідинами, розділени-ми твердою стінкою. Процес перенесення теплоти від гарячої рідини (газу) до холод-
ної через розподільну стінку називається теплопередачею. Теплопередача здійснюєть-ся різними процесами теплоперенесення. Так, наприклад, парогенерувальні труби ко-тельного агрегату отримують теплоту від продуктів згоряння палива внаслідок радіа-ційно - конвекційного теплообміну. Через шар зовнішнього забруднення, металеву стінку і шар накипу теплота переноситься теплопровідністю. Від внутрішньої поверхні труби до рідини, котра її обмиває, теплота переноситься конвекційним теплообміном (тепловіддачею).
Процеси теплообміну можуть відбуватися в різних середовищах і різних сумі-шах, під час зміни і без зміни агрегатного стану робочих середовищ тощо. Залежно від цього теплообмін відбувається по різному і описується різними рівняннями.
2 Перенесення теплоти теплопровідністю залежить від розподілення температури в об’ємі тіла. Одним з основних понять є температурне поле - сукупність значень температури у всіх точках тіла в даний момент часу. Загалом температура є функцією трьох просторових координат і часу. Тому математичне описання температурного по-ля матиме вигляд:
(1.1)
Часто
температурне поле змінюється тільки
по одній або двох просторових ко-ординатах,
відповідно температурне поле буде
одномірним (
)
або двомірним (
).
Крім цього, розрізняють стаціонарне
(усталене або
стале) поле, коли
температура у всіх точках тіла не
змінюється з часом
,
і нестаціонарне
(неус-талене або
нестале),
коли
.
Температурне поле може також бути
однорідним і неоднорідним. Однорідне
температурне поле –
це поле однакових температур, коли всі
точки тіла характеризуються одним і
тим же значенням температури. Для
здій-нення перенесення теплоти
теплопровідністю необхідне неоднорідне
температурне поле, коли в різних точках
тіла температура різна.
При
переході від точки до точки в тілі
температура змінюється не стрибком, а
більш–менш плавно. Завжди можна знайти
декілька точок з однаковою температурою.
З’єднавши
такі точки, отримують поверхню однакової
температури, котра носить наз-ву
ізотермічної.
Кожній ізотермічній поверхні відповідає
своє значення температури. Можна
побудувати в тілі багато ізотермічних
поверхонь, така картина дасть наочну
уяву про температурне поле в тілі.
Ізотерми ніколи не перетинаються, бо в
цьому ви-падку точка перетину буде мати
дві різні температури, що фізично
неможливо. Уздовж ізотерми температура
не змінюється, значить, і перенос теплоти
в цьому напрямку не відбувається.
Найбільш сильно температура змінюється
в напрямку, нормальному (тобто
перпендикулярно до дотичної) до даної
ізотермічної поверхні. Інтенсивність
зміни характеризується величиною, яка
носить назву градієнта
температури (
)
–
це вектор, направлений по нормалі до
ізотермічної поверхні в бік зростання
темпера-тури
(рисунок 1.1). Він є межею відношення зміни
температури (
)
між двома су-сідніми ізотермічними
поверхнями до відстані (
)
по нормалі, якщо
:
.
(1.2)
Для характеристики інтенсивності поширення теп-
лоти в температурному полі введено поняття щіль-
ність
теплового потоку (
)
–
це
кількість теплоти
(Дж), яка передається через одиницю площі ізотер-
мічної
поверхні (1
)
за одиницю часу (1с):
.
Рисунок 1.1 - До визначення Щільність теплового потоку – вектор, направлений
щільності теплового потоку по нормалі до ізотермічної поверхні, але в бік змен-
шення температури (рисунок 1) .
Загальну кількість теплоти, яка передається через поверхню впродовж часу, можна визначити по формулі
,
Дж (1.3)
3 Цей закон встановлює кількісний зв’язок між температурним полем в тілі та інтен-сивністю поширення в ньому теплоти шляхом теплопровідності (за рахунок руху мік-рочасток). Закон визначає зв’язок вектору щільності теплового потоку з вектором гра-дієнту температури. Згідно закону Фур’є вектор щільності теплового потоку про-порційний вектору градієнту температури, але направлений в протилежний бік
,
(1.4)
де знак „мінус” показує, що вектори направлені в протилежні боки;
-
коефіцієнт пропорційності, який називають
коефіцієнтом
теплопро-
відності. Є індивідуальною фізичною властивістю кожної речовини.
Чисельно дорівнює щільності теплового потоку при градієнті темпе-
ратури
1
:
,
(1.5)
Закон
Фур’є
був встановлений дослідним шляхом в
результаті вимірювання кількості
теплоти
,
Дж, котра проходила за час
при стаціонарному режимі експе-риментальної
установки через стіну невеликої товщини
з площею
при
різниці тем-ператур на її поверхнях
,
яка також підтримувалася невеликою.
Результати дослідів показали, що величина
визначається
виразом:
,
(1.6)
де коефіцієнт теплопровідності залишається постійним, якщо середня температура
стінки змінюється в дослідах не дуже сильно. На підставі цих дослідів був сфор-
мульований закон, який використовується в розрахунках процесів теплопровід-
ності.
Лекція 2